CN104458269B - 一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，包括进气管道、波转子通道、连接支架、密封盘以及连接器等结构。在波转子通道不通过连接支架与转轴连接的情况下，利用连接器将密封盘与转轴连接，使密封盘相对于波转子通道旋转，波转子通道处于静止状态，便于进行波转子通道内激波火焰相互作用机制以及非定常流动与燃烧过程研究；而密封盘静止，通过连接支架将波转子通道与转轴连接并相对于密封盘转动时，可以利用镜面反射原理通过波转子通道上的观察窗研究离心力场作用下波转子通道内火焰结构的变化特点。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机非定常增压燃烧技术领域，尤其指代一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置。
背景技术
内燃波转子是一种基于增压燃烧技术的非定常燃烧装置，可以在涡轮进口温度不变的情况下，实现涡轮进口压力大幅度增加；另外内燃波转子的燃烧过程在波转子通道内完成，而一个波转子通常含有几十个通道，每个通道随着波转子的旋转顺序完成填充、燃烧以及排气等过程，在任意时刻，都有多个波转子在进行填充和排气过程，所以内燃波转子相对于其他非定常燃烧装置(如脉冲爆震发动机)，发动机的进出口具有相对均匀的气流参数分布，更便于与传统涡轮机械组合形成组合式发动机，正因为如此，内燃波转子吸引了国内外科研团队的大量研究。如专利“Wave Rotor Detonation Engine”，专利号：US6460342B1提出了一种基于爆震燃烧的内燃波转子，该装置包括进排气端口、点火装置以及波转子等结构，其中波转子安装在一个腔体内，进口端口沿周向分成若干区域，每个区域可以引入不同浓度的可燃混气，使燃料在波转子通道内呈层状分布，有利于组织爆震燃烧；专利名称为“Partitioned multi-channel combustor”，专利号为US6526936B2，将波转子进口端口同时沿周向和径向进行分割，可以更精确地控制波转子通道内的油气分布；专利名称为“Constant Volume Combustor”，专利号为US8117828B2，提出了一种利用脉冲爆震原理和波转子技术的压力波装置，该装置主要包括进排气端口和具有多个通道的波转子，在进口处和出口处均具有一对端口，其中进排气口处均有一个端口用于缓冲气的进出，该装置的特点在于可以旋转波转子形成内燃波转子发动机，同时也可以固定波转子，而通过定位销将开有端口的端盖与转轴连接形成旋转阀式非定常燃烧装置。
尽管国内外对波转子技术进行了诸多研究并取得大量成果，然而内燃波转子技术仍属于预研阶段，对波转子内的燃烧过程以及火焰与复杂波系之间的作用机制尚不明确，上述所涉及的内燃波转子结构均含有完整的波转子结构，在预研阶段这无疑增加了系统的复杂性，而且给数据采集以及波转子通道内火焰结构的观察带来了一定的困难。
发明内容
针对于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，利用相对运动的思想，对内燃波转子结构进行简化，既可以旋转波转子通道又可以旋转密封盘，即实现内燃波转子时需工作的功能，又方便预研阶段内燃波转子工作特性的研究，同时波转子通道上开有观察窗，有利于观察大离心力场下波转子通道内燃烧过程的火焰形态变化。
为达到上述目的，本发明的一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，包括进气管道、波转子通道、连接支架、密封盘、连接器以及转轴，其中：
进气管道一端焊接法兰，与气源连接；另一端外围焊接第一卡箍，第一卡箍与管道壁面之间安装有第一密封石墨环，进气管道的另一端通过第一卡箍与密封盘相接触；进气管道上设有燃料喷管；
波转子通道两端与第二卡箍焊接，第二卡箍与通道壁面之间安装第二密封石墨环，波转子通道一侧设置有观察窗；
连接支架包含两个具有相同结构的支架单元，两个支架单元通过紧固螺母连接，该支架单元分为：长臂、竖臂、圆弧段及短臂，四者依次连接；一个支架单元的长臂与另一个支架单元的短臂之间通过拉力螺栓连接，且二者之间固定有波转子通道；圆弧段紧固在上述转轴上；
密封盘包括进口端密封盘和出口端密封盘，该出口端密封盘由第一出口端密封盘和第二出口端密封盘构成，该进口端密封盘上开设有第一环形孔，该第一出口端密封盘上开设有第二环形孔和第三环形孔；该第二出口端密封盘上开设有第四环形孔；进口端密封盘和出口端密封盘的中心均设有圆孔，圆孔周围布置有密封盘键槽；
连接器外径侧面上设有连接器键，其与上述密封盘上的密封盘键槽相对应连接，连接器内径中设有连接器键槽，其与转轴连接；
转轴上设有转轴键和支架键，转轴键设于转轴两端，连接上述密封盘及连接器键槽；支架键设于转轴中间位置，连接上述连接支架的圆弧段；转轴的转轴头与驱动电机的联轴器相连。
优选地，上述的波转子通道为一扇形通道。
优选地，上述的观察窗包括：石英玻璃座、石英玻璃、紫铜垫片以及观察窗盖板，石英玻璃座焊接在波转子通道侧壁上，石英玻璃座上开有凹槽，石英玻璃放在凹槽内，石英玻璃两侧分别安置一紫铜垫片，观察窗盖板将石英玻璃紧压在石英玻璃座上。
优选地，上述的长臂与竖臂通过圆角过度连接。
优选地，上述的第二出口端密封盘上开设有与上述第二环形孔角度相同的缺口。
优选地，上述的圆孔周围均匀布置有六个密封盘键槽。
优选地，上述的连接器外径侧面上均匀设有六个连接器键，内径中设有三个连接器键槽。
优选地，上述的密封盘通过定位盘和定位螺母定位于转轴上。
优选地，上述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置包含两个结构相同的波转子通道，且波转子通道连同连接支架关于转轴对称。
本发明基于相对运动的简化内燃波转子实验装置的工作原理是在研究内燃波转子内火焰与激波相互作用机制时，波转子通道固定不动，密封盘通过连接器与转轴相连，可以方便地在波转子通道上布置压力传感器、例子探针以及热电偶等测试设备，同时可以采用高速摄影等光学设备通过观察窗记录波转子通道内火焰发展过程，避免因波转子旋转给测量带来的不便；在考虑离心力影响的时候，取下连接器，将密封盘固定在底座上，波转子通道通过连接支架与转轴连接，利用镜面反射原理，可以方便记录波转子通道内火焰形态在离心力场下的发展过程。
本发明的有益效果：
1、结构简单，只包含两个波转子通道，且波转子通道上布置了观察窗，便于观察记录波转子通道内的火焰发展过程；
2、基于相对运动原理，可以方便地对波转子通道内燃烧特性进行定性研究，避免了因波转子旋转而带来的数据采集方面的困难。
附图说明
图1绘示本发明基于相对运动的简化内燃波转子实验装置的结构示意图。
图2绘示本发明进气管道的结构示意图。
图3绘示本发明波转子通道的结构示意图。
图4绘示本发明连接支架的结构示意图。
图5绘示本发明出口端密封盘的结构示意图。
图6绘示本发明进口端密封盘的结构示意图。
图7绘示本发明连接器与定位盘的结构示意图。
图8绘示本发明转轴的结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，
本发明的一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，包括进气管道1、波转子通道2、连接支架3、密封盘4、连接器5以及转轴7，其中：
进气管道1一端焊接法兰11，用于与气源连接；另一端外围焊接有第一卡箍12，第一卡箍12与管道壁面13之间安装第一密封石墨环14；进气管道1上设有燃料喷管10，其穿过进气管道1的壁面；
波转子通道2为一扇形通道，通道两端均焊接有第二卡箍21，第二卡箍21与通道壁面22之间安装第二密封石墨环23，通道一侧设置观察窗24，该观察窗24具体包括：石英玻璃座241、石英玻璃243、紫铜垫片244以及观察窗盖板245，波转子通道2的侧壁面焊接石英玻璃座241，石英玻璃座241上开有凹槽242，石英玻璃243放在凹槽242内，石英玻璃243两侧分别安置一紫铜垫片244用于密封，观察窗盖板245将石英玻璃243紧压在石英玻璃座241上；
连接支架3包含两个具有相同结构的支架单元31，两个支架单元通过紧固螺母32连接，该支架单元31分为：长臂33、竖臂34、圆弧段35及短臂36，四者依次连接，长臂33与竖臂34通过圆角过度37连接，可以避免应力集中；一个支架单元的长臂33与另一个支架单元的短臂36之间通过拉力螺栓38连接，避免系统旋转时长臂33因受力出现较大形变，且二者之间固定有波转子通道2；圆弧段35紧固在上述转轴7上；
密封盘4包括进口端密封盘41和出口端密封盘42，该出口端密封盘42由第一出口端密封盘421和第二出口端密封盘422构成，该进口端密封盘41上开设有第一环形孔411，该第一出口端密封盘421上开设有第二环形孔423和第三环形孔425；该第二出口端密封盘422上开设有第四环形孔(图中未作示意)，上述第一环形孔411与第二环形孔423控制流体进出波转子通道2；上述第三环形孔425与第四环形孔控制热射流进入波转子通道2进行点火；第二出口端密封盘422上开设有与上述二环形孔423角度相同的缺口424，确保高温燃气能够顺利排出波转子通道2而不会与热射流之间产生相互影响，进口端密封盘41和出口端密封盘42的中心均设有圆孔43，圆孔43周围均匀布置六个密封盘键槽431，用于安装连接器5；
连接器5外径侧面上均匀分布六个连接器键51，其与上述密封盘上4的密封盘键槽431相对应配合连接，连接器5内径中设有三个连接器键槽52，其与转轴7连接；
转轴7上设有转轴键71和支架键72，转轴键71设于转轴7两端，连接上述密封盘4及连接器键槽52；支架键72设于转轴7中间位置，连接上述连接支架3的圆弧段35；转轴7的转轴头73与驱动电机的联轴器相连；上述的密封盘4通过定位盘6和定位螺母61定位于转轴7上。
更优选实施例中，上述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置包含两个结构相同的波转子通道2，且波转子通道2连同连接支架3关于转轴7对称。
本发明的实施方式中包含两种情况：
第一实施例
在考虑离心力场作用的情况下，密封盘4固定在底座8上，波转子通道2相对于密封盘4转动，波转子通道2上观察窗24的安装顺序为紫铜垫片244---石英玻璃243---紫铜垫片244---观察窗盖板245，波转子通道2固定于连接一个支架单元的长臂33与另一个支架单元的断臂36之间，长臂33与短臂36之间通过拉力螺栓38拉紧，旋转产生的离心力主要作用于拉力螺栓38上，避免连接支架3的长臂33因受到波转子通道2离心力的作用而发生较大形变，影响系统稳定性，连接支架3的长臂33与竖臂34相接触设计一圆角过度37，消除支架单元31应力集中现象，保证了连接支架3的强度，两个支架单元31之间用紧固螺母32连接，使支架单元31的圆弧段35紧压在转轴键71上，与转轴7一起形成旋转单元，转轴7两端穿过轴承座9，两个轴承座9构成旋转支点；随后将固定在底座上8的进口端密封盘41与出口端密封盘42调整位置，使其端面紧压在位于第二卡箍21与通道壁面22之间的第二密封石墨环23的表面，起到密封作用；波转子通道2处于稳定旋转状态后空气和燃料分别经进气管道1和燃料喷管10进入进气管道1内，其中燃料从燃料喷管10上喷孔沿气流相反方向逆喷进入进气管道1，并在进气管道1内与空气掺混形成可燃混气，当波转子通道2旋转到相应位置时，可燃混气通过进口端密封盘41的第一环形孔411进入波转子通道2，并完成预压缩等过程，当波转子通道2旋转到第三环形孔425与第四环形孔位置时，热射流经第三环形孔425与第四环形孔进入波转子通道2点燃可燃混气，波转子通道2旋转到第一出口端密封盘421上的第二环形孔423时燃烧完的高温燃气经第二环形孔423排出，随后波转子通道2再次经过进口端密封盘41的第一环形孔411，进行新一轮的循环，在此过程可以采用镜面反射进行燃烧过程记录。
第二实施例
在研究激波与火焰相互作用机制时可以忽略离心力场作用，此时波转子通道2固定不动(很容易实现固定，附图中未体现)，进口端密封盘41过连接器5与转轴7相连，为防止进口端密封盘41、连接器5和转轴7三者之间旋转过程中存在相对移动，在装配好的进口端密封盘41与连接器5两侧布置定位盘6，用定位螺母61将三者固定，第一出口端密封盘421和第二出口端密封盘422重叠放置，保证两片密封盘上的第三环形孔425、第四环形孔重合，第二环形孔423与缺口424重合，用与进口端同样的方法将连接器5、密封盘4以及转轴7固定，密封盘4随转轴7旋转到达稳定转速后，向进气管道1和燃料喷管10分别供入空气和燃料，进气管道1正对波转子通道2一端，进口端密封盘41上的第一出口端密封盘421到进气管道1时，混气进入波转子通道2，完成混气填充以及预压缩过程，随后第二出口端密封盘422上的第四环形孔旋转到波转子通道2的另一端，热射流经第四环形孔进入波转子通道2点燃混气，混气燃烧完全之后，第一出口端密封盘421上的第三环形孔425旋转到波转子通道2所在位置，高温燃气从第一出口端密封盘421的第二环形孔423经缺口424沿径向流出，这样热射流只能经第四环形孔进入波转子通道2而不会沿环第二环形孔423进入，准确模拟了内燃波转子的作用时序，在此过程中，波转子通道2处于静止状态，可以方便地布置传感器、热电偶等测量设备。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，其特征在于，包括进气管道、波转子通道、连接支架、密封盘、连接器以及转轴，其中：
进气管道一端焊接法兰，与气源连接；另一端外围焊接第一卡箍，第一卡箍与管道壁面之间安装有第一密封石墨环，进气管道的另一端通过第一卡箍与密封盘相接触；进气管道上设有燃料喷管；
波转子通道两端与第二卡箍焊接，第二卡箍与通道壁面之间安装第二密封石墨环，波转子通道一侧设置有观察窗；
连接支架包含两个具有相同结构的支架单元，两个支架单元通过紧固螺母连接，该支架单元分为：长臂、竖臂、圆弧段及短臂，四者依次连接；一个支架单元的长臂与另一个支架单元的短臂之间通过拉力螺栓连接，且二者之间固定有波转子通道；圆弧段紧固在上述转轴上；
密封盘包括进口端密封盘和出口端密封盘，该出口端密封盘由第一出口端密封盘和第二出口端密封盘构成，该进口端密封盘上开设有第一环形孔，该第一出口端密封盘上开设有第二环形孔和第三环形孔；该第二出口端密封盘上开设有第四环形孔；进口端密封盘和出口端密封盘的中心均设有圆孔，圆孔周围布置有密封盘键槽；
连接器外径侧面上设有连接器键，其与上述密封盘上的密封盘键槽相对应连接，连接器内径中设有连接器键槽，其与转轴连接；
转轴上设有转轴键和支架键，转轴键设于转轴两端，连接上述密封盘及连接器键槽；支架键设于转轴中间位置，连接上述连接支架的圆弧段；转轴的转轴头与驱动电机的联轴器相连。
2.根据权利要求1所述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，其特征在于，上述的波转子通道为一扇形通道。
3.根据权利要求1所述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，其特征在于，上述的观察窗包括：石英玻璃座、石英玻璃、紫铜垫片以及观察窗盖板，石英玻璃座焊接在波转子通道侧壁上，石英玻璃座上开有凹槽，石英玻璃放在凹槽内，石英玻璃两侧分别安置一紫铜垫片，观察窗盖板将石英玻璃紧压在石英玻璃座上。
4.根据权利要求1所述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，其特征在于，上述的长臂与竖臂通过圆角过度连接。
5.根据权利要求1所述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，其特征在于，上述的第二出口端密封盘上开设有与上述第二环形孔角度相同的缺口。
6.根据权利要求1所述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，其特征在于，上述的圆孔周围均匀布置有六个密封盘键槽。
7.根据权利要求1所述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，其特征在于，上述的连接器外径侧面上均匀设有六个连接器键，内径中设有三个连接器键槽。
8.根据权利要求1所述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，其特征在于，上述的密封盘通过定位盘和定位螺母定位于转轴上。
9.根据权利要求1所述的基于相对运动的简化内燃波转子实验装置，其特征在于，还包含两个结构相同的波转子通道，且波转子通道连同连接支架关于转轴对称。
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| US5894719A (en) * | 1997-04-18 | 1999-04-20 | The United States Of America, As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Method and apparatus for cold gas reinjection in through-flow and reverse-flow wave rotors |
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| CN202510225U (zh) * | 2012-03-31 | 2012-10-31 | 郑鲁生 | 具有波转子顶层回热循环的微型燃气轮机发电系统 |
| CN103133138A (zh) * | 2013-01-18 | 2013-06-05 | 南京航空航天大学 | 基于非定常燃烧具有增压功能的内燃波转子及工作方法 |
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2014
- 2014-10-31 CN CN201410605584.5A patent/CN104458269B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104458269A (zh) | 2015-03-25 |
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